JP7200775B2 - 投射装置、表示システムおよび移動体 - Google Patents

Description

本発明は、投射装置、表示システムおよび移動体に関する。

特許文献１では、中間スクリーンに入射する光束の進行方向は走査中心から離れる方向に設定されていて、中間スクリーンの主走査方向の両端における光束の進行方向は、主走査方向において互いに異なる画像表示装置を開示している。

本発明は、画像形成部と結像光学系の間の光路長が異なることに起因する画像品質の低下を抑制する投射装置、表示システムおよび移動体を提供することを目的とする。

本発明に係る投射装置、表示システムおよび移動体は、画像を形成する画像光を出射する画像形成部と、画像光を反射して像を結像させる結像光学系と、を備え、結像光学系は、画像形成部と結像光学系の間の光路長が短い画像光を入射する位置の倍率が、画像形成部と結像光学系の間の光路長が長い画像光を入射する位置の倍率よりも高くなるように構成される。

本発明によれば、画像形成部と結像光学系の間の光路長が異なることに起因する画像品質の低下を抑制する投射装置、表示システムおよび移動体を提供することができる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る搭載装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る搭載装置の上面図である。 実施形態に係る搭載装置の側面図である。 実施形態に係る搭載装置の側断面図である。 実施形態に係る搭載装置の上断面図である。 実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置に対するスクリーンユニットの着脱を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 結像光学系の原理の説明図である。 比較例に係る搭載装置の説明図である。 比較例に係る搭載装置の説明図である。 実施形態に係る自由曲面ミラー３０及びフロントガラス５０を含む結像光学系の説明図である。 実施形態に係る搭載装置の説明図である。 実施形態に係る虚像の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●実施形態●
●システム構成
図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。

表示システム１は、投射装置の一例としての搭載装置１００から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体１Ａの一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。以降、移動体１Ａの進行方向をＸ、左右方向をＹ、上下方向をＺとして座標軸を定める。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（運転者）に視認させる。この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ～１ｍ程度である。なお、小型で透明なプラスチックディスク等で形成されたコンバイナを、フロントガラス５０の代わりに、透過反射部材として使用してもよい。

搭載装置１００は、例えば、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。搭載装置１００は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置され、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく、ダッシュボード２内に埋め込まれていてもよい。本実施形態は、搭載装置１００が、ダッシュボード２内に搭載された場合について説明する。

図２は、実施形態に係る搭載装置１００の構成の一例を示す図である。搭載装置１００は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。

表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から射出されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向装置１３は、光源装置１１から照射される照射光を入射して、画像を形成する画像光を出射する画像形成部の一例であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から射出されたレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

スクリーン１５は、光偏向装置１３から出射される画像光を結像して画像が形成されるスクリーンの一例であり、レーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。表示装置１０は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーを設定する。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーやその他集光パワーを有する素子であってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。

（取り付け部の構成）
図３は、搭載装置１００の上面図である。この図３に示すように、搭載装置１００は、右側面部及び左側面部に、それぞれ２つずつ、搭載装置１００を移動体１Ａに取り付けるための取り付け部４１ａ～４１ｄが設けられている。各取り付け部４１ａ～４１ｄには、それぞれネジ孔が設けられており、このネジ孔を介して、搭載装置１００が移動体１Ａに取り付けられるようになっている。

図４は、移動体１Ａに取り付けられた搭載装置１００を右側から見た側面図である。移動体１Ａは、インストルメントパネル２に溶着又は締結された取り付けブラケット４２と、クロスカービーム４３に溶着又は締結された取り付けブラケット４４を有している。取り付けブラケット４２及び取り付けブラケット４４は、設置部の一例である。搭載装置１００は、取り付け部４１ａ、４１ｃを取り付けブラケット４２にネジ等で締結すると共に、取り付け部４１ｂ、４１ｄを取り付けブラケット４４にネジ等で締結することで、移動体１Ａに取り付けられている。

図５は、搭載装置１００を右方向（Ｙ方向右側）から見た側断面図である。図６は、搭載装置１００の上方向（Ｚ方向）から見た上断面図である。図５、図６は、搭載装置１００内部の具体的な配置を示す。

搭載装置１００は、図２で説明した表示装置１０、自由曲面ミラー３０以外に、表示装置１０から投射されるレーザ光を自由曲面ミラー３０に向けて反射する折り返しミラー２５を筐体１０２内に収納する。筐体１０２は、自由曲面ミラー３０で反射された反射光を透過させてフロントガラス５０に投射する透過部材の一例としての出射窓１０４を備える。表示装置１０およびスクリーン１５は、右方向（Ｙ方向右側）にレーザ光が投射されるように配置されている。

図７は、表示装置１０の構成の一例を示す図である。表示装置１０は、図２で説明した光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５以外に、光源装置１１から出射されるレーザ光を光変調するフィルタ３０７と、フィルタ３０７で光変調された変調光を光偏向装置１３に向けて集光する集光レンズ４１０と、光偏向装置１３で偏向された偏向光を反射するミラー４０１と、ミラー４０１で反射された反射光をスクリーン１５に向けて反射する第２ミラー４０２をさらに備える。

光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリング（コリメート）レンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。

放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされ、略平行光束とされる。カップリングされた各レーザ（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、フィルタ３０７および集光レンズ４１０を通り、光偏向装置１３に導かれる。

表示装置１０は、ハウジング１０Ａと、ミラーユニット（ミラー保持部材）３０５と、スクリーンユニット３００と、を組み立てることにより構成される。ハウジング１０Ａは、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，および１１１Ｂ、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、フィルタ３０７、集光レンズ４１０、および光偏向装置１３を保持し、収納する。ミラーユニット３０５は、ミラー４０１および第２ミラー４０２を保持する。スクリーンユニット３００は、スクリーン１５を保持する保持部材の一例である。

光源ユニット１１０は、ハウジング１０Ａから着脱可能であり、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，および１１１Ｂを保持する。

図８は、表示装置１０に対するスクリーンユニット３００の着脱を示す図である。スクリーンユニット３００は、光源ユニット１１０およびミラーユニット３０５をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられる。また、スクリーンユニット３００は、光源装置１１、フィルタ３０７、集光レンズ４１０および光偏向装置１３をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられる。

そして、ハウジング１０Ａはアルミダイカストにより成形され、ミラーユニット３０５は樹脂により成形されており、ハウジング１０Ａはミラーユニット３０５よりも熱伝導率が高い。

スクリーン１５により発散された画像光は、図１、２に示した光路によりフロントガラス５０に到達するが、実使用時には、フロントガラス５０に照射される太陽光が、光路を逆流してスクリーン１５やスクリーンユニット３００に到達することがある。この場合、太陽光の熱により、スクリーン１５が変形、変色して画像品質が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、スクリーンユニット３００をハウジング１０Ａに取り付けることにより、光路の上流側に位置するミラーユニット３０５に取り付ける場合に比べて、スクリーン１５やスクリーンユニット３００の熱を逃がしやすくなり、画像品質の低下を抑制することができる。

また、スクリーンユニット３００は、ミラーユニット３０５が保持するミラー４０１、第２ミラー４０２や、光偏向装置１３等をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられるので、スクリーンユニット３００のみを交換、メンテすることが容易になる。これにより、スクリーン１５が変形、変色した場合でも、スクリーン１５を交換、メンテして画像品質の低下を抑制することができる。

さらには、移動体１Ａの種類（車種）によってフロントガラス５０の曲率が異なることに対応して、結像光学系（自由曲面ミラー３０）に合わせてスクリーン１５のサイズや位置、角度を微調整する必要があるが、スクリーンユニット３００をハウジング１０Ａ等に対して着脱自在とすることで、ハウジング１０Ａ等を共通化することが可能となり、生産性を向上することできる。

●ハードウエア構成
図９は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。

●機能構成
図１０は、実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された画像情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光源装置
図１１は、実施形態に係る光源装置１１の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、図７で説明した構成以外に、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂと合成素子１１４，１１５，１１６の間に、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされた各レーザ（光束）をそれぞれ整形するアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂを備える。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。

●光偏向装置
図１２は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から射出されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図１３は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から射出されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図１３に示すスクリーン１５は、光を発散させるように湾曲する湾曲部が複数備えられる一例として六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０（湾曲部の一形態としての凸形状部）が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０のレンズ径（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ２００およびマイクロレンズ１５０の詳細は、後述する。

図１４は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図１４（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２が走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉を起こさずに、干渉ノイズの発生を抑制する。

図１４（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７，１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、干渉ノイズとして視認される。

以上を考慮して、干渉ノイズを低減するため、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図１４は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

●光偏向装置による光走査
図１５は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を射出する。各光源素子から射出され光路合成されたレーザ光は、図１５に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２～４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図１６は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図１６に示すように、中間像４０が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図１６において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図１６において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ２００等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子とすることもできる。以下の説明において、本実施形態は、スクリーン１５がマイクロレンズアレイ２００によって構成されるものとして説明する。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０を備える。図１６において、同期検知系６０は、画像領域６１の－Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。

図１７は、結像光学系の原理の説明図であり、一般的な拡大投射光学系（結像光学系）における虚像の大きさと光路長の関係についての説明図である。

拡大投射光学系（結像光学）の一例である自由曲面ミラー３０の焦点Ｆよりも近い側に物体Ａを配置すると、自由曲面ミラー３０を挟んだ逆側に物体Ａの虚像４５Ａが形成される。この時の虚像位置をＡ’とする。さらに、物体Ａよりさらに自由曲面ミラー３０に近い側に物体Ｂを配置すると、自由曲面ミラー３０を挟んだ逆側に物体Ｂの虚像４５Ｂが形成される。この時の虚像位置をＢ’とする。一般的に知られるレンズの結像公式より、自由曲面ミラー３０の倍率βはβ＝ＣＡ’／ＡＣ＝ＣＢ’／ＢＣ、よってＣＡ’／ＣＢ’＝ＡＣ／ＢＣとなる。ＡＣ＞ＢＣよりＡＣ／ＢＣ＞１なのでＣＡ’／ＣＢ’＞１となり、ＣＡ’＞ＣＢ’といえる。

上記より、自由曲面ミラー３０の倍率βが等しい場合、物体から自由曲面ミラー３０までの距離が短くなると、自由曲面ミラー３０から虚像４５までの距離が短くなることがわかる。

図１８は、比較例に係る搭載装置の説明図である。図１８は、図１７で説明した原理を搭載装置１００の虚像４５に置き換えたものであり、搭載装置１００を＋Ｚ方向（高さ方向）から見た場合の表示装置１０、自由曲面ミラー３０及びフロントガラス５０を含む結像光学系、虚像４５、および観察者３（視点位置）の関係を示す平面図である。自由曲面ミラー３０（結像光学系）の倍率はY方向両端で同じであるものとする。

図１８（ａ）は偏心光学系を用いない場合の平面図であり、図１８（ｂ）は偏心光学系を用いた場合の平面図である。図１８（ｂ）において、表示装置１０は、観察者３から自由曲面ミラー３０および虚像４５への光路に対して、Ｙ方向（車両幅方向）に偏心しており、表示装置１０の表示面の法線方向の光軸の自由曲面ミラー３０中心部への入射角は、自由曲面ミラー３０中心部の法線方向に対して傾いている。

図１８（ａ）に示すように偏心光学系を用いない場合、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長ＳはY方向両端で同じであり、自由曲面ミラー３０から虚像４５までの光路長をＳ’もY方向両端で同じである。

図１８（ｂ）に示す偏心光学系を用いる場合、搭載装置１００を車両に搭載する際、ダッシュボード２内部における他の車両部品と干渉しないようして、レイアウト的に有利な場合がある。表示装置１０を偏心させる方向としてはＹ方向（車両幅方向）に限らず、Ｚ方向（車両高さ方向）に偏心させることでも同様の効果を得ることができ、Ｙ方向とＺ方向の偏心を組み合わせることも勿論有効である。

しかしながら、図１８（ｂ）に示す偏心光学系を用いる場合、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路において画像光のＹ方向の両端で光路長Ｓ１，Ｓ２の差が生じる（Ｓ１＞Ｓ＞Ｓ２）。すると、図１７で示した原理から、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路におけるＹ方向両端での光路長Ｓ１，Ｓ２の差に対応して、自由曲面ミラー３０から虚像４５までの光路においても光路長Ｓ１’，Ｓ２’の差が生じる（Ｓ１’＞Ｓ’＞Ｓ２’）。これにより、観察者３が虚像４５を見た際に虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾いているように見えてしまう。

図１９は、比較例に係る搭載装置の説明図である。図１９（ａ）は、図１８（ａ）に対応する偏心光学系を用いない場合の平面図であり、図１９（ｂ）は、図１８（ｂ）に対応する偏心光学系を用いた場合の平面図である。図１８と同様、結像光学系は、自由曲面ミラー３０及びフロントガラス５０を含み、自由曲面ミラー３０（結像光学系）の倍率はY方向両端で同じであるものとする。

図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示す搭載装置は、図５で示したように、表示装置１０、自由曲面ミラー３０以外に、表示装置１０から投射されるレーザ光を自由曲面ミラー３０に向けて反射する折り返しミラー２５を備えており、小型化を図っている。

図１９（ａ）に示すように偏心光学系を用いない場合、虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾くことは無いが、表示装置１０を筐体１０２に収納するのが困難になっている。

一方、図１９（ｂ）に示すように偏心光学系を用いる場合、表示装置１０をＹ方向（車両幅方向）に偏心させることにより、筐体１０２に収納することはできるが、虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾いてしまっている。

本実施形態は、図１８および図１９に示した比較例の課題を解決することを目的として、具体的には、表示装置１０を筐体１０２に収納することと、虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾くことは無いことを両立させることを目的とする。

図２０は、実施形態に係る自由曲面ミラー３０及びフロントガラス５０を含む結像光学系の説明図である。図２０は、図１８（ｂ）および図１９（ｂ）に示したように、観察者３から自由曲面ミラー３０および虚像４５への光路に対して、表示装置１０をＹ方向（車両幅方向）に偏心させた偏心光学系における、表示装置１０のY方向の各位置に対する自由曲面ミラー３０の倍率を示している。

図２０に示すように、光路長の長い自由曲面ミラー３０の－Y側では低く、光路長の短い自由曲面ミラー３０の＋Y側では倍率が高くなっていることがわかる。

図１８（ｂ）に示す偏心光学系の場合、－Y方向の画像端における自由曲面ミラー３０の倍率α１を、α１＝（Ｓ’／Ｓ１）＾２、＋Y方向の画像端における自由曲面ミラー３０の倍率α２を、α２＝（Ｓ’／Ｓ２）＾２と設定する。

すなわち、自由曲面ミラー３０は、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長Ｓ２が短い画像光を入射する位置の倍率α２が、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長Ｓ１が長い画像光を入射する位置の倍率α１よりも高くなるように構成される。

これにより、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長が異なることに起因する画像品質の低下を抑制することができる。具体的には、観察者３が虚像４５を見た際に虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾いているように見えてしまうことが抑制される。

なお、表示装置１０は、図２および図７に示したように、光路の最下流側にスクリーン１５を備えているため、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長は、スクリーン１５から自由曲面ミラー３０までの光路長と同じである。

また、表示装置１０は、図２および図７に示したように、スクリーン１５よりも光路の上流側に光偏向装置１３を備えており、Y方向における光偏向装置１３からスクリーン１５までの光路長差が無い、または無視できることから、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長を、光偏向装置１３から自由曲面ミラー３０までの光路長に置き換えても同様である。

図２１は、実施形態に係る搭載装置の説明図である。図２１に示す自由曲面ミラー３０は、図２０で説明したように、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長が短い画像光を入射する位置の倍率が、表示装置１０から自由曲面ミラー３０までの光路長が長い画像光を入射する位置の倍率よりも高くなるように構成される。

図２１に示す搭載装置は、表示装置１０をＹ方向（車両幅方向）に偏心させることにより、筐体１０２に収納するとともに、自由曲面ミラー３０が上記構成を備えることにより、虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾くことがない。

図２２は、実施形態に係る虚像の一例を示す図である。虚像４５は、先行車両（移動体１Ａ）と重畳させる重畳情報４５ａと、文字情報４５ｂと、横方向（Ｘ方向）に長いラインを一例とする装飾情報４５ｃを含む。

本実施形態では、図２０および図２１で説明したように、虚像４５がX方向（車両１Aの奥行方向）に傾くことがないため、先行車両（移動体１Ａ）と重畳情報４５ａの重畳が不自然になったり、横長のライン４５ｃがX方向（車両１Aの奥行方向）にずれて視認されたりすることが抑制され、不自然な印象を与えることがない。

●補足●
なお、本発明の一実施形態に係る表示装置、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。

また、本発明の一実施形態に係る表示装置は、ＨＵＤ装置に限られず、例えば、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置であってもよい。例えば、本発明の一実施形態に係る表示装置をプロジェクタ装置に適用する場合、プロジェクタ装置を表示装置１０と同様に構成することができる。すなわち、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すればよい。

１ 表示システム
１０ 表示装置
１０Ａ ハウジング
１１ 光源装置（光源の一例）
１３ 光偏向装置（走査部、画像形成部の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
４５ 虚像
５０ フロントガラス（反射部材の一例）
１００ 投射装置
１０２ 筐体

特開２０１６―１３０７５９号公報

Claims (6)

1. 画像を形成する画像光を出射する画像形成部と、
   前記画像光を反射して像を結像させる結像光学系と、を備えた投射装置であって、
   前記結像光学系は、
   前記画像形成部と前記結像光学系の間の光路長が短い前記画像光を入射する位置の倍率が、前記画像形成部と前記結像光学系の間の光路長が長い前記画像光を入射する位置の倍率よりも高くなるように構成される投射装置。
2. 前記画像形成部から出射された前記画像光を発散させて、前記結像光学系に対して投射する光学素子を備え、
   前記結像光学系は、
   前記光学素子と前記結像光学系の間の光路長が短い前記画像光を入射する位置の倍率が前記光学素子と前記結像光学系の間の光路長が長い前記画像光を入射する位置の倍率よりも高くなるように構成される請求項１記載の投射装置。
3. 前記画像形成部、前記光学素子および前記結像光学系を収納するとともに、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる筐体と、を備えた請求項２記載の投射装置。
4. 前記結像光学系は、前記投射装置が設置される移動体の進行方向において、前記画像形成部と前記結像光学系の間の光路長が短い前記画像光を入射する位置と、前記画像形成部と前記結像光学系の間の光路長が長い前記画像光を入射する位置がずれるように配置される請求項１～３の何れか記載の投射装置。
5. 請求項１～４の何れか記載の投射装置と、
   前記結像光学系により反射された前記画像光を透過及び反射する透過反射部材と、を備え、
   前記結像光学系は、前記画像光を前記透過反射部材に向けて投射して虚像を結像させる表示システム。
6. 請求項５記載の表示システムを備え、
   前記透過反射部材は、前記画像光を反射するフロントガラスである移動体。

Images